ABB AC800F 控制系統在維綸纖維生產上的應用

廖勇前

(湖南省湘維有限公司，湖南 溆浦 419323)

0 引言

維尼綸纖維是聚乙烯醇縮甲醛纖維的商品名稱，也叫維綸。湖南省湘維有限公司的維綸生產線是70年代末建成并投產的，為了適應生產維尼綸新品種的需要，對該線進行升級改造。為提升該生產線的自動化水平，提高生產效率和產品質量，在行業中維綸生產線上首次采用DCS 控制系統。最終選用ABB 公司的AC800F 控制系統，本文介紹該系統特點和組成以及實際應用，還有用高精度矢量型變頻器直接改變電機轉速的調速方式代替機械式無極調速器、變頻器用現場總線Profibus－DP 協議與現場控制器AC800F 通信等一些新技術在維綸生產線上的應用方法。

1 工藝概述

維綸纖維的生產工藝過程:聚乙烯醇原料水洗、溶解、過濾、脫泡、紡絲與脫水、濕熱拉伸、干熱拉伸、熱定型、切斷、熱水卷曲、縮醛化、上油劑、干燥、打包、成品入庫。

2 系統特點

AC800F 控制系統是ABB 公司推出的一種全能綜合型開放控制系統，該系統融傳統的DCS 和PLC 優點于一體并支持多種國際現場總線標準。它既具備DCS 的復雜模擬回路調節能力、友好的人機界面(HMI)及方便的工程軟件，同時又具有與高檔PLC 指標相當的高速邏輯和順序控制性能。

系統分為兩級:操作管理級(操作站OS、工程師站ES 及網關GS)和過程控制級(現場控制器AC800F)。在操作管理級上不僅實現傳統的控制系統監控操作功能(預定義及自由格式動態畫面顯示、趨勢顯示、彈出式報警及操作指導信息、報表打印、硬件診斷等)，而且完成配方管理及數據交換等管理功能。現場控制器AC800F 實現包括復雜控制在內的各種回路調節(各種PID、比值、Simith……)和高速邏輯控制、順序控制以及批量間歇控制功能。

系統使用同一套簡單易用的工程師站組態工具軟件，完成過程級和操作級組態以及調試，并使用同一個全局數據庫。

過程站、操作員站/工程師站之間的通訊是通過系統總線DigiNetS(工業以太網)實現的。

現場設備、遠方I/O、PLC、稱重系統等可通過Profibus、FF等協議與現場控制器AC800F 進行通迅。

3 維綸生產線系統硬件組成

3.1 控制站配置。配置兩對冗余的現場控制器AC800F。熱處理工序使用一對、原液工序和凝固浴工序及整理工序使用一對。

3.2 操作員站和工程師站配置。配置10個操作員站(源液工序、凝固浴工序、熱處理工序、整理工序各兩臺，調度室和技術組各一臺。操作員站上安裝操作監控軟件DigiVis，工程師站上安裝組態調試軟件Control Build F。另外還安裝了權限鎖定軟件(DigiLock)、運行在管理PC 機上的生產數據瀏覽軟件(DigiBrowse)等。

3.3 網絡配置

現場控制器AC800F、操作員站/工程師站之間的通訊是通過系統總線DigiNetS(工業以太網)實現的。為了提高工業以太網的可靠性，采用冗余的環形光纖以太網。

現場控制器AC800F 與S800I/O 站、變頻器的通信，通過安裝在其上的Profibus－DP 協議現場總線接口卡件來實現。

在熱處理工序AC800F 上插入2 對Profibus 協議現場總線接口卡件，一對用來采集來自總線的熱處理工序S800I/O 站上過程數據和診斷信息，另一對用來采集來自總線的80 多臺變頻器上過程數據和診斷信息。為了減少電纜費用，提高工程進度，我們采用現場總線Profibus－DP 協議建立現場控制器AC800F 與變頻器的通信。具體方法是:①我們使用的是西門子公司的變頻器，在其上裝一個Profibus－DP 接口板CB15，其就能支持Profibus－DP 協議。②我們把支持Profibus－DP 協議變頻器的主數據文件GSD 文件拷入組態調試軟件Control Build F 中，把報文中PZD 部分(包括控制字，設定值，狀態字和實際值)的所需量(如啟/停控制、運行/停止狀態、設定值)進行定義。定義后的量就可進行顯示、修改等操作。③為了能夠有效通信，在組態軟件和變頻器中，必須為每一臺變頻器設定一樣的地址，以便主站尋址。④在變頻器進行相關的網絡參數設置。

在原液工序AC800F 上插入2 對Profibus 協議現場總線接口卡件，一對用來采集來自總線的原液工序和凝固浴工序S800I/O 站上過程數據和診斷信息，另一對用來采集來自總線的整理工序S800I/O 站上過程數據和診斷信息。

3.4 系統結構圖(見圖1)

圖1 系統結構圖

4 控制方案

4.1 主要的模擬量控制系統(MCS)

4.1.1 紡絲調壓槽液位控制。當原液進入密閉的調壓槽后，槽內空氣被壓縮，其壓力和空氣體積的乘積為一常數。調壓槽的液位(液量)變化，就必然引起槽內空間體積V 的變化和槽內空氣壓力P 的變化。P 的變化可以反映調壓槽內液位的變化。控制P 一定，就能控制槽內液位一定。

4.1.2 熱處理烘倉溫度控制。烘倉用電熱絲加熱，其溫度通過溫度調節器的輸出控制單相調功器的輸出功率來實現。

4.1.3 速度控制。(1)采用變頻器直接改變電機轉速的調速方式。改造前，采用手動調整機械式無極調速器來控制速度，其主要存在機械式無極調速器故障率高、只能手動控制不能自動調節、速度波動大等缺點。改造后，采用變頻器直接改變電機轉速的調速方式，降低設備故障率，速度控制穩定，大大提高了產品產量和質量。(2)為了使新的調速方式的性能滿足工藝要求，采取如下措施:為了提高速度測量精度，提高抗干擾性，在紡絲工序的所有電機上，增加了旋轉編碼器，用于各臺電機的速度準確測量;計量泵、導輥、牽引機電機采用了永磁同步電機，相應的變頻器采用速度精度很高的矢量型變頻器，電機速度選擇開環控制方案。速度控制精度達到了0.02%;3 預熱機、延伸機、冷卻機電機采用異步電機，相應的變頻器采用速度精度很高的矢量型變頻器，電機速度使用閉環控制，保證速度控制的精度、變頻器的轉矩性能。速度控制精度達到了0.1%。

4.2 主要的開關量控制系統(SCS)

原液工序有一些復雜的順序控制系統，改造前是用傳統的繼電器控制系統實現的，改造后用DCS 系統中的軟件來實現各種控制功能，組態時是用順序功能圖(簡稱SFC)來做的。從順序功能圖看整個順序控制過程一目了然。另外，這種方法也為調試、試運行、監控及操作帶來許多方便。

圖2 壓力溶解機的工藝流程圖

4.2.1 溶解機加水控制。選擇溶解機→打開進水閥→啟給水泵→到水量給定值→關進水閥→停泵。

4.2.2 溶解機加料控制。選擇溶解機→打開接受閥、真空閥、一、二列分配閥→真空度大于53kPa→打開總真空閥→選擇秤→打開秤出料門→啟動秤皮帶→秤空→停止進料。

4.2.3 溶解機壓力控制系統。溶解機的工藝流程圖見圖2。溶解工序包括調壓、攪拌、排氣三個過程。系統設置“自動”和“手動”兩種控制方式。在“自動”控制方式時，按下起動按鈕后，則自動執行壓力溶解流程:調壓3h→攪拌2h→排氣2min→結束。

5 運行效果

湖南省湘維有限公司維綸生產線采用ABB 的AC800F 控制系統后，各類生產控制指標和生產線控制穩定性與過去使用的常規儀表相比明顯提高，操作非常便捷，自動化程度大大提高，達到提高產品質量和產量，減少消耗、減少操作和維修人員從而降低生產成本，生產多品種產品的目的。

6 結束語

ABB 的AC800F 控制系統功能強大，運行穩定，在維綸生產線上的應用很成功。用高精度矢量型變頻器直接改變電機轉速的調速方式代替機械式無極調速和變頻器用Profibus－DP 協議現場總線與現場控制器AC800F 通信在維綸生產線上使用是可行的。

［1］ABB 控制產品及系統部，控制系統培訓資料，ABB 公司，2004.

［2］陸德民，張振基，黃步余.石油化工自動控制設計手冊(第三版)［M］.北京:化學工業出版社，2000.

［3］徐海.變頻器原理及應用［M］.北京:清華大學出版社，2010.